Apa, o normalitate anormală

Am auzit cu toţii expresia: „ banala apă”. Cum să numeşti banală o substanţă care înseamnă viaţă? De ce atâta ignoranţă pentru cea mai importantă substanţă de pe Pământ?  Organismul uman conţine aproximativ 72% apă, iar prezenţa ei este vitală. Pentru că apa e o normalitate în viaţa noastră. Se găseşte peste tot. Pe Pământ, apa există în multe forme, în cele mai variate locuri. Sub formă de apa sărată  există în oceane  și mări. Sub formă de apă dulce în stare solidă,  în calotele polare, gheţari, aisberguri, zapadă. Sub formă de apă dulce lichidă, apa se găsește în ape curgătoare, stătătoare, ploi, și ape freatice sau subterane. În atmosferă, apa o gasim  sub formă gazoasă alcătuind norii sau fin difuzată în aer, determinând umiditatea acestuia. Considerând întreaga planetă, apa se găsește continuu în mișcare și transformare, evaporarea și condensarea, respectiv solidificarea și topirea, alternând mereu  ( figura 1).

figura 1

Deci, ca să tragem o concluzie, expresia de mai sus nu ignoră importanţa apei, ci numai arată că este foarte răspândită pe Pământ, fiind o normalitate.

Aşa cum ştiţi, apa conţine un atom de oxigen şi doi atomi de  hidrogen ( figura 2 ).       Formula moleculei de apă : H₂O .

figura 2

Dar cum s-a ajuns aici? Să  ascultăm povestea ei!

Se pare că Oxigenul , sătul de atâta instabilitate , obosit  a se combina cu un alt oxigen, frate al său, se  agita   în balconul  blocului cu numărul şase ( doar are 6 electroni pe ultimul strat) , din cartierul Tabelul  Mendeleev. Îşi dorea ca pe aleea  a 2-a  ( numărul straturilor electronice este 2), să apară un atom care să-l ajute să ajungă la structura stabilă  de octet.

Era o  linişte apăsătoare. Nimic nu prevestea prietenia ce urma să se lege. Şi   dintr-o dată, pe aleea cu numărul unu apăru un Hidrogen.  Se  juca vesel cu propriul electron şi spera şi el să-şi formeze structura de dublet, devenind astfel stabil. Oxigenul, zărindu-l, îşi făcu speranţe . Îl întâmpină pe vecinul său, întrebându-l dacă nu  are să-i dea cei 2 electroni care-i lipsesc. Hidrogenul, darnic din fire, ar fi făcut-o, dar de unde, avea  numai unul. Atunci îi veni ideea salvatoare, să-şi mai cheme un frate. Puse mâna pe telefon şi în câteva minute, Hidrogenul cu numărul doi îşi făcu apariţia. Oxigenul a coborât din bloc şi incepură negocierea. El avea nevoie de 2 electroni pentru a-şi rezolva problema, dar  ce se faceau cei doi hidrogeni, care i-ar fi dat ? Şi atunci  le veni ideea de a pune  în comun câte 2 electroni, ( oxigenul, 2, iar fiecare hidrogen câte  unul) .I-ar pune la un loc şi aşa     s-ar  rezolva problema  stabilităţii tuturor. Oxigenul  avea structură de octet pe ultimul strat , folosind pe lângă cei 6 electroni ai săi, pe cei 2 de la hidrogeni. Hidrogenii aveau fiecare câte 2, unul al lor, iar celălalt primit de la oxigen ( figura 3).

Dar  apărea o altă problemă, aceea că cei trei atomi trebuie să fie nedespărţiţi . S-au prins de mâini , şi-au aşezat electronii puşi în comun, în spaţiul dintre ei  şi  au părăsit  cartierul Tabelul Mendeleev, plecând în lume . Şi pentru că nu se mai puteau numi oxigen şi hidrogen, şi-au  zis  APĂ.

figura 3

Dar de ce am asociat apei cuvântul “anormal”? Pentru că ea este compusul cu cele mai multe anomalii.

La temperatură obişnuită, apa pura este un lichid incolor  ( în straturi groase are culoarea albastru- verzui), fără gust , fără miros  ( poate de aici expresia “ apă chioară”).  Atât din punct de vedere chimic , cât şi fizic, apa prezintă anomalii.

*În condiţii normale, apa ( după formulă, hidrură de oxigen ) se găseşte în stare lichidă, pe când, hidrurile elementelor chimice vecine ( N, P, S, Cl, F ) sunt gaze.

*Dacă în stare de vapori, apa este formată din molecule neasociate, în stare lichidă şi solidă, moleculele sunt asociate prin legături de hidrogen   ( figura 4). Gheaţa are o reţea cristalină în care moleculele sunt aranjate tetraedric, asamblate într-o reţea hexagonală. Legaturile dintre moleculele de apă sunt foarte greu de distrus, motiv pentru care apa îngheaţă si fierbe la temperaturi mai mari decât ne-am aştepta.

• 

  figura 4

  Asocierea moleculelor de apă prin legături de hidrogen duce şi la alte  anomalii în comportamentul acesteia.

  *În mod normal, densitatea unei substanţe scade cu creşterea temperaturii                    ( corpul se dilată, îi creşte volumul, scade densitatea ). Apa are un comportament diferit între 0 – 4 grade Celsius (  numită anomalia apei). În acest interval, volumul ei scade, densitatea creşte ( la + 4 grade Celsius având densitatea maximă ). Deci, pe fundul lacurilor există apă  la + 4 grade Celsius,  ce face posibilă viaţa subacvatică.

  *La 0 grade Celsius,  apa se solidifică, mărindu-şi volumul cu 9 %. Valoarea mică a densitaţii gheţii este atribuită structurii afânate a reţelei cristaline . Densitatea gheţii fiind mai mică decât a apei, aceasta pluteşte la suprafaţa  lichidului. Chimiştii afirmă că Titanicul a fost victima acestei anomalii  a apei, aceea de a-şi mări volumul la solidificare ( exceptând fonta şi bismutul, celorlalte substanţe le creşte volumul la topire. ) Se spune că fiind ceaţă, capitanul nu a văzut la timp uriaşul munte de gheaţă plutitor, de care vaporul s-a ciocnit, scufundându-se.

  *În mod normal, creşterea presiunii duce la creşterea temperaturii de topire. Apa este din nou anormală. Temperatura de topire a gheţii scade cu creşterea presiunii, fapt ce explică alunecarea patinelor pe gheaţă.  Lamele patinelor au o suprafaţă mică pe care acţionează greutatea omului. Astfel, presiunea exercitată de patinator asupra gheţii este mare, ceea ce face  ca temperatura de topire să scadă.Dacă temperatura gheţii este – 5 grade, datorită presiunii mari, aceasta se poate topi în zonele în care intră în contact cu muchia patinei. În acele zone apare apa, iar patina alunecă. Această proprietate o are numai gheaţa.

  *Pe de altă parte, sunt cercetători care susţin că o creştere a presiunii cu mai mult de 100 kgf/ cm² face să scadă temperatura  de topire a gheţii cu un grad Celsius. Presiunea exercitată de patinator pe lama patinei nu depaşeşte , în niciun caz, valoarea indicată mai sus şi de aici concluzia, că scăderea temperaturii de topire din această cauză, nu poate juca un rol important pentru patinaj.

  * Pe principiul explicat mai sus se bazează formarea bulgărilor de zăpadă. În construirea omului de zăpadă, prin rostogolirea bulgărilor, recurgem la aceeaşi particularitate a gheţii, fulgii de zăpadă se contopesc în partea de jos sub acţiunea masei mari  care îi presează ( figura 5 ).

  

  figura 5

  * Sub presiunea picioarelor trecătorilor, zăpada de pe trotuar se transformă treptat în gheaţă.

  * Şi pentru că vorbim despre gheaţă, să vedem cum se formează ţurţurii  ( figura 6 ). Într-o zi însorită de iarnă, razele soarelui încălzesc mai mult panta acoperişului unei case, comparativ cu  zăpada din curtea acesteia, astfel încât, zăpada de pe acoperiş se poate topi. Apa se scurge , picură şi ajunge pe marginea acoperişului. Sub acoperiş, temperatura este sub zero grade şi picătura îngheaţă. Pe acesta se scurge următoarea picatură , care îngheaţă şi ea. Şi fenomenul se repetă, formându-se astfel un ţurţure de gheaţă.

  

  figura 6

  *Cu siguranţă, în copilărie , toţi am fost fascinaţi de ţurţuri, pe care uneori îi foloseam pe post de acadea. Un capriciu copilăresc amuzant? Se pare că cercetătorii au găsit ceva mult mai serios decât am crede.

  S-a făcut un experiment pe puii de găină. Primului grup i s-a dat apă obişnuită, iar celui de-al doilea, zăpadă topită conţinând şi bucăţi de gheaţă. Surpriza a fost mare când s-a observat că primul grup se comporta normal, iar puii din al doilea grup înghiţeau  apa ca pe ceva neobişnuit de gustos.Peste o lună şi jumătate, păsările au fost cântărite, constatându-se că cele care băuseră apă din zăpadă topită cântăreau mai mult decât cele care consumaseră apă normală. Care este explicaţia? Se pare că  ea trebuie căutată în procesul de topire a gheţii.

  *Oamenii de ştiinţă susţin că gheaţa îşi păstrează structura  după topire. Gheaţa topită are moleculele dispuse ca şi cea solidă, de aceea activitatea chimică a apei provenită din topirea gheţii este mai mare decât cea a apei obişnuite, participând mai uşor la o multitudine de procese biochimice. În organismele vii, apa din gheaţă se combină mai uşor cu diferite substanţe.Cercetătorii susţin că structura  apei din organism  se aseamănă mult cu cea a gheţii .Când apa obţinută din topirea gheţii este asimilată de acesta,structura ei  ( spre deosebire de structura apei obişnuite) nu suferă nicio rearanjare a moleculelor ,deci nu se consumă energie.

  *Intervalul de temperatură anormal de mare în care apa se găseşte în stare lichidă       ( 0 -100 grade Celsius ) este atribuit , de asemenea, asocierii moleculelor de apă prin legături de hidrogen.

  Când Celsius a inventat  termometrul, a realizat gradarea acestuia,   bazându-se pe două valori : punctul  de fierbere şi de solidificare a apei.A introdus termometrul în apă cu gheaţă şi a notat nivelul mercurului cu 0, iar apoi l-a introdus în vaporii apei care fierbe şi a notat nivelul mercurului cu 100. A împărţit acest interval în 100 de părţi egale, obţinând astfel, 1grad Celsius.

  *Căldura necesară topirii gheţii este mult mai  mare decât cea necesară topirii aceleeaşi cantităţi din oricare altă substanţă, ceea ce face ca zăpada să aibă nevoie de un interval mare de timp pentru a se topi. În caz contrar, primavara, s-ar produce inundaţii devastatoare.

  *Căldura necesară vaporizării apei este de 7 ori mai mare decât căldura necesară topirii aceleeaşi cantităţi de gheaţă. Acest lucru este firesc, dacă ne gândim că la vaporizare moleculele trebuie separate unele de altele prin ruperea legăturilor dintre ele, pe când la topire, are loc o altă aranjare a acestora ( figura 4).

  *O altă anomalie vine din chimie.Din  punct de vedere chimic, apa este disociată astfel:

  H₂ O     ——>    H⁺   +  OH ^–  

  Ionii  H⁺   şi    OH ^–    obţinuţi  demonstrează că apa este în acelaşi timp atât acid , cât şi bază. Acest tip de substanţe se numesc  amfotere.

  Chiar şi aşa , noi iubim apa , cu toate anomaliile ei, pentru că îi datorăm existenţa noastră.